基于视觉测量方法的钢管再生混凝土柱的抗震性能研究

发布时间：2020-04-08 23:20

【摘要】：再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)能有效减少建筑垃圾对环境的污染,社会和经济效益深远,其推广和应用势在必行。为了满足再生混凝土的结构性应用需求,本研究中将再生混凝土浇筑在钢管内形成了钢管再生混凝土柱(Recycled Aggregate Concrete filled Steel Tubular Column,RACSTC)这种组合构件。钢管能改善再生混凝土的受力性能提高其承载力,而核心再生混凝土能防止钢管过早屈曲,当二者构成钢管再生混凝土柱时,弥补了再生混凝土和钢管力学性能的缺陷,实现了 1+12的双赢效果。这种组合柱不仅具有高延性、高承载力,而且具有优秀的工作性能,同时也扩大了再生混凝土的应用范围,实现了资源的循环利用和可持续发展。目前对钢管再生混凝土的研究主要集中在轴压方面,而对抗震性能和损伤机理的研究较少;另外,由于需要对地震作用下的钢管组合柱进行变形测量和评估,以及监测其应力应变曲线,而应变片和传感器难以预置于钢管变形区域的关键点,导致应变峰值的精确值只能依靠插值法估算,无法通过应变片直接采集有关数据。基于这种背景,本文引入了机器视觉方法来测量震损结构的三维变形和破坏信息。本文通过对17根试件的试验和对27根试件的有限元模拟,研究了轴压比、长细比、钢管壁厚、钢管强度和再生混凝土强度等重要参数对钢管再生混凝土的抗震性能的影响;同时,提出用无接触的视觉方法实现全场变形和应变的测量,并与应变片和传感器数据进行对比验证其有效性和精确度。本文的主要研究内容和创新点如下:为了分析构件破坏形态特点,实时精确测量试件变形,本文提出了基于机器视觉的测量方法,阐述了视觉系统结构和三维变形测量原理,利用这种新型测量技术完整地采集了试件在低周反复荷载作用下的全场三维变形和应变数据,并且实现了三维变形的全自动测量。通过对大尺寸钢管再生混凝土柱进行了低周反复加载试验,研究了轴压比、钢管强度、再生混凝土强度等各因素对其抗震性能的影响;为了进一步探索长细比对结构的抗震性能影响,构建了有限元模型并与试验结果进行验证,吻合度较好;在大量有限元计算分析的基础上,提出了简化的恢复力计算模型,其与试验曲线验证较好。通过试验与模拟数据对比、变形的视觉测量及分析,定量描述了圆钢管再生混凝土柱的承载能力、耗能能力、刚度及退化能力、全场三维变形及破坏形态等抗震性能。提出了无标记单目视觉静态测量试件变形的方法、无标记双目视觉动态跟踪测量试件全场三维变形的方法。用单目视觉和激光测距仪构建了测量系统,测量试件损伤后的变形,提出了改进的霍夫变换算法,计算变形目标的边缘信息、最大鼓曲变形数据及其相关参数。在此基础上,构建了双目视觉系统动态跟踪测量全场三维变形,提出了改进的非线性最小二乘法并对三维点云数据进行圆拟合,通过三维反求变形曲面变形和应变。与接触式测量值相比,双目视觉静态和动态测量最大鼓曲直径相对误差均值分别为0.19%和0.33%,双目视觉动态跟踪测量全场应变的相对误差均值均小于0.50%。为了获得大视场的全场三维变形数据,采用两组双目视觉进行测量。开发了用双目视觉和多目视觉从静态和动态自动采集钢管混凝土柱的全场三维变形数据的软件系统。对15根大尺寸的圆钢管再生混凝土柱和2根圆钢管混凝土对比柱进行了低周反复加载的抗震试验,研究了轴压比(0.2、0.4和0.6)、钢管壁厚(6 mm和8 mm)、钢管强度(Q235和Q345)和再生混凝土强度(C40和C50)对钢管再生混凝土抗震性能的影响。得到了滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能能力、刚度退化和等效粘滞系数等曲线,分析了钢管混凝土柱的受力特征和抗震特性,试验结果表明,滞回曲线饱满且均没有明显的“捏缩”现象,表明钢管再生混凝土同钢管普通混凝土一样具有良好的滞回性能。再生混凝土对试件的初始刚度、变形能力、延性和耗能性能影响较小。在相同的轴压比下,套箍系数提高,延性增大,耗能能力提高,核心再生混凝土强度低的试件的弹性刚度更好,延性系数较低,极限位移转角较大,屈服位移转角较小,骨架曲线下降段更平缓,各级位移循环的耗能较小。在相同的核心再生混凝土强度下,随着轴压比的增大,试件的延性系数降低,会降低延性,钢管强度对延性影响不大屈服位移转角和极限位移转角均降低,总耗能变小。套箍系数和材料相同时,轴压比提高,滞回曲线的饱满程度降低,耗能能力降低,侧向刚度增大、延性降低,峰值荷载过后,承载能力降低幅度大。当套箍系数接近时,钢管强度高的试件有较好的耗能能力。钢管强度对延性影响不大,再生混凝土对试件的初始刚度、变形能力、延性和耗能性能影响较小。采用有限元数值模拟方法研究了钢管再生混凝土柱的恢复力特性,研究了长细比、钢管厚度和轴压比对钢管再生混凝土柱抗震性能的影响。提出了三折线型骨架曲线的恢复力改进模型。以27根钢管再生混凝土柱为例,用改进模型进行了模拟,数值模拟与试验结果吻合较好,验证了模型和方法的有效性。通过试验、有限元分析和全场受力变形视觉跟踪测量的定量数据分析与研究,结果表明,与钢管普通混凝土柱相比,钢管再生混凝土柱具有良好的抗震性能和变形能力,将再生混凝土应用于抗震地区的承重结构中是可行的。视觉方法可克服少数采样点不准的缺点,满足测量精度要求,双目视觉方法可直观地反映构件的三维变形过程、获得三维变形曲面的参数和测量全场应变值,测量精度符合工程要求,在表面变形和应变测量方面可取代应变片等传统接触式测量方法。
【图文】：

图１－１邋ＤＩＣ系统逡逑

再生混凝土,钢管,研究过程,核心

逑以及有无焊缝等。为了研究不同参数对钢管再生混凝土柱抗震性能和变形性能的影逡逑响大小，需要进行参数研究。参数研究过程如图２－１所示。逡逑？建立理论模型逡逑—逦逦逦逡逑？设计试验验证逡逑？实际计算模型逡逑逦丨逡逑．零’逡逑图２－１研究过程逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｃｈａｒｔ逡逑实际上，钢管再生混凝土结构工作的关键与本质在于钢管跟核心再生混凝土的逡逑相互作用和互补效应，，这种互补互助的作用使得钢管再生混凝土结构具有优秀的力逡逑学和抗震性能，但由于其材料的非线性和力学性能的复杂性，如何真正了解和发现逡逑其相关作用对结构抗震性能的影响，成为亟待解决的钢管再生混凝土结构理论研宄逡逑的热点和难点课题。迄今，学术界用约束效应系数０逦来衡量钢管和再生逡逑混凝土相互作用的基本参数，其中和小分别是钢管与核心再生混凝土的横截面面逡逑积，／ａ和／ｅ分别是钢管和再生混凝土的屈服强度［１５３］。约束效应系数对结构性能的影逡逑响主要体现为：随着０值增大
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9;TU352.11

【参考文献】